Raķešdegviela (propelents) — definīcija, cietā, šķidrā un gāzes veidi

Raķešdegviela (propelents): definīcija, cietā, šķidrā un gāzes veidi — īpašības, piemēri un pielietojumi kosmosa tehnoloģijās.

Raķešu propelents jeb raķešu degviela ir viela vai vielu kopums, ko izmanto, lai radītu gāzu izplūdi un tādējādi veidotu vilci raķetes vai cita tipa dzinēja darbībai. Propelents var būt cietā, šķidrā vai gāzes agregātstāvoklī. Lielākā daļa kosmiskajās un militārajās lietojumos izmantoto raķešu ir ķīmiskās raķetes, kuras darbina ar ķīmisku degšanas procesu (t.i., uguni). Visbiežāk ķīmiskajās raķetēs izmanto divas pamatvielas: degvielu un oksidētāju; tās dažkārt ir sajauktas vienā sastāvā, citkārt — glabātas atsevišķās tvertnēs.

Cietie propelenti

Cietais propelents parasti sastāv no degvielas, oksidētāja un saistvielas, kas veido viendabīgu, cietu masu. Piemēram, Space Shuttle pastiprinātāji izmantoja cietās degvielas maisījumu ar alumīnija pulveri kā degvielu un amonija perhlorātu kā oksidētāju. Cietie dzinēji ir vienkārši, uzticami un spēj nodrošināt lielu sākotnējo vilci.

• Priekšrocības: vienkārša konstrukcija, liels vilces blīvums, labs glabāšanas laiks
• Trūkumi: grūti regulējama dzesēšana un vilces profils, reiz ieslēgts parasti nevar izslēgt

Šķidrie propelenti

Šķidrie propelenti parasti sastāv no atsevišķām degvielas un oksidētāja tvertnēm, kas tiek sūknētas uz komorām, kur tie sajaucas un deg. Kā piemērs — Space Shuttle galvenajos dzinējos kā degviela tika izmantots šķidrais ūdeņradis, bet kā oksidētājs - šķidrais skābeklis.

• Priekšrocības: labāka vilces regulēšana (ieslēgšana/izslēgšana, variēšana), augstāks efektivitātes potenciāls (īpaši kriogēni), piemērots vairākām misijām
• Trūkumi: sarežģītāka tehnika (sūknis, vārsti), bieži nepieciešama vakuuma/termosistēma kriogēniem (sarežģīta glabāšana)

Šķidrie sistēmas var būt kriogēnas (piem., šķidrais ūdeņradis un šķidrais skābeklis), vai uzglabājamas (piem., kerosīns (RP‑1) ar šķidro skābekli, vai hipergoliski pāri, piemēram, slāpekļa dioksīds/udmz — jāatzīmē, ka konkrēti ķīmiskie nosaukumi un kombinācijas var atšķirties).

Gāzveida propelenti

Gāzes propelentus izmanto mazākiem impulsiem, piemēram, satelītu stūrēšanai vai rotaļlietās. Dažas vienkāršas raķetes — piemēram, rotaļlietas ūdens raķetē — kā dzinēju izmanto gāzi, piemēram, saspiestu gaisu.

• Priekšrocības: vienkāršība, drošība un lētas ekspluatācijas izmaksas mazjaudas lietojumos
• Trūkumi: zems impulsu blīvums, neatbilstoši lieliem izmēriem un orbītālai palaišanai

Monopropelenti, bipropelenti un hibrīdie risinājumi

Monopropelents ir viens savienojums, kas, sadaloties katalītiski vai termiski, rada gāzes un vilci (piemērs — hidrazīna bāzes sistēmas). Bipropelenti izmanto atsevišķu degvielu un oksidētāju, kas sajaucas degkamerā. Hibrīdie sistēmas apvieno cietu un šķidru komponenti — parasti ciets degvielas logs un šķidrs oksidētājs vai otrādi; hibrīdie dzinēji mēģina apvienot cieto vienkāršību ar šķidrā regulēšanas priekšrocībām.

Veiktspējas rādītāji un izvēle

Svarīgi izvērtēt propelenta īpašības pēc vairākām skalām:

• Specifiskā impulsa (Isp) — mērā m/s vai s; norāda, cik efektīvi propelents pārvērš masu vilcē. Augstāks Isp nozīmē labāku degvielas efektivitāti.
• Blīvums un enerģijas saturs — ietekmē tvertnes izmērus un masas sadalījumu.
• Uzglabāšanas prasības — kriogēnie propelenti prasa izolāciju un temperatūras kontroli; uzglabājami komponenti ir ērtāki ilgtermiņā.
• Drošība un vide — daži propelenti (piemēram, perhlorāti, hidrazīna atvasinājumi) ir toksiski vai vides apdraudoši, tāpēc tiek pētīti „zaļāki” alternatīvi risinājumi.

Lietojumi

Propelenti tiek izmantoti plašā spektrā: palaišanas raķetes, militārie ieroči, raķešu pastiprinātāji, satelītu stūrēšanas dzinēji, kā arī izglītības un rotaļlietu līmenī (piemēram, ūdens raķetes, kas darbojas ar saspiestu gaisu). Atkarībā no misijas prasībām izvēlas piemērotāko propelenta tipu un dzinēja arhitektūru.

Drošība un vides apsvērumi

Daudzi tradicionālie propelenti un oksidētāji ietver toksiskas vai reaktīvas ķīmiskas vielas (piemēram, perhlorāti, hidrazīna produkti), kas prasa īpašu apstrādi, uzglabāšanu un atkritumu apsaimniekošanu. Mūsdienās nozīmīga uzmanība tiek pievērsta:

• mazāk toksisku un ilgtspējīgāku „zaļo” propelentu izstrādei;
• perhlorātu piesārņojuma kontrolei, jo tie var ietekmēt gruntsūdeņus;
• drošības procedūrām palaišanas un remontu laikā.

Kopsavilkumā, propelents ir centrāls elements raķešu tehnoloģijā, un to izvēle ietekmē dzinēja dizainu, misijas iespējas, drošību un ietekmi uz vidi. Atkarībā no mērķa — liela pacelšanās vilce, precīza manevrēšana orbītā vai vienkāršas rotaļlietas darbība — izmanto atbilstošu cietu, šķidru vai gāzveida sistēmu.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir raķešu degviela?

J: Kādos veidos var būt raķešu degviela?

J: Ar ko tiek darbināta lielākā daļa raķešu?

J: Kādas ir divas ķīmiskās vielas, ko izmanto kā degvielu lielākajā daļā ķīmisko raķešu?

J: Vai ķīmiskajās raķetēs degviela un oksidētājs dažreiz ir sajaukti kopā?

J: No kā tika izgatavoti kosmosa raķetes "Space Shuttle" cietās degvielas pastiprinātāji?

J: Ar ko darbināja Space Shuttle galvenos dzinējus?

Meklēt pēc burta